(57)【要約】【課題】起動時間を短縮させることができる燃料電池発電システムの運転方法、およびその方法を実施するための燃料電池発電システムの提供。【解決手段】水素を含む改質ガスを生成する改質器２と、白金触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなる電解質膜電極接合体を有し、改質器２から供給される改質ガスと外部から供給される空気とを前記電解質膜電極接合体にて反応させて発電する複数のセルが積層されてなる固体高分子型の燃料電池スタック１とを備える燃料電池発電システムにおいて、改質器２の温度を測定するための温度センサ２ｆと、燃料電池スタック１の温度を測定するための温度センサ１ａと、燃料電池スタック１の電流密度を一時的に増加させるための電流制御装置３と、燃料電池発電システムを起動させる場合であって、改質器２の温度および燃料電池スタック１の温度が所定の温度に達したと判定したとき、燃料電池スタック１の電流密度を一時的に増加させる処理を実行するように電流制御装置３の動作を制御する制御装置５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む改質ガスを生成する改質器と、白金触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなる電解質膜電極接合体を有し、前記改質器から供給される改質ガスと外部から供給される酸化剤ガスとを前記電解質膜電極接合体にて反応させて発電する複数のセルが積層されてなる固体高分子型の燃料電池スタックとを備える燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池発電システムを起動させる場合、前記改質部の温度および前記燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまで、前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を実行することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの電流密度を増加させている期間において前記燃料電池スタックを構成する各セルの電圧が０Ｖ以上０．３Ｖ以下である、請求項１に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの温度の上昇に応じて、前記燃料電池スタックの電流密度を増加させている期間を短くする、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項４】
前記改質器から前記燃料電池スタックへ供給される改質ガスの一酸化炭素濃度の減少に応じて、前記燃料電池スタックの電流密度を増加させる処理の繰り返し周期を長くする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項５】
水素を含む改質ガスを生成する改質器と、白金触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなる電解質膜電極接合体を有し、前記改質器から供給される改質ガスと外部から供給される酸化剤ガスとを前記電解質膜電極接合体にて反応させて発電する複数のセルが積層されてなる固体高分子型の燃料電池スタックとを備える燃料電池発電システムにおいて、
前記改質器の温度を測定するための第１温度測定手段と、
前記燃料電池スタックの温度を測定するための第２温度測定手段と、
前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させるための電流制御装置と、
前記燃料電池発電システムを起動させる場合、前記第１温度測定手段によって測定された前記改質器の温度および前記第２温度測定手段によって測定された前記燃料電池スタックの温度が所定の温度に達したか否かを判定し、その結果前記改質器の温度および前記燃料電池スタックの温度が前記所定の温度に達したと判定したとき、前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を実行するように前記電流制御装置の動作を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型の燃料電池スタックを備える燃料電池発電システムの運転方法に関し、特に起動時間を短縮させることができる燃料電池発電システムの運転方法およびその方法を実施するための燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトン伝導性高分子膜を電解質として用いる高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池発電システムは、電解質においてプロトンを選択的に輸送し、水素を主成分とする燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを白金等の触媒層を有するガス核酸電極によって電気化学的に反応させることによって、電気と熱とを同時に発生させるものである。
【０００３】
以上のような燃料電池発電システムが備える高分子電解質型燃料電池の発電部において、白金（Ｐｔ）系の金属触媒を担持したカーボン粉末とそのカーボン粉末を被覆するようにして混合された高分子電解質とを主成分とする触媒反応層が、プロトン伝導性電解質膜の両面に密着して配置されている。また、その触媒反応層の外面には、ガス透過性および導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層が密着して配置されている。これらの触媒反応層とガス拡散層とによりガス拡散電極が構成される。
【０００４】
プロトン伝導性電解質膜を一対のガス拡散電極で挟持してなるものは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜電極接合体）と呼ばれている。このＭＥＡは、当該ＭＥＡのガス拡散電極に反応ガスを供給するため且つ反応により発生した水および余剰のガスを搬送するためのガス流路が形成された導電性の一対のセパレータ板で挟持されている。この一対のセパレータ板により、ＭＥＡが機械的に固定されるとともに、隣り合うＭＥＡが電気的に直列に接続されることになる。
【０００５】
なお、ガス流路をセパレータ板とは別に設けることも可能であるが、セパレータ板の表面に所定の形状の溝を設けてこれをガス流路とする方式が一般的である。
【０００６】
以上のようにＭＥＡを一対のセパレータ板で挟持してなるものは、セルと呼ばれている。一つのセルの起電力は小さいため、通常、複数のセルが積層してなる燃料電池スタックとして利用されている。燃料電池スタックの場合、セパレータ板およびガス拡散電極等の積層される構成部品間の接触抵抗を低減するため、およびガスのシール性を維持するために、燃料電池スタック全体をセルの積層方向に恒常的に締め付ける必要がある。
【０００７】
各セルに設けられている一対のガス拡散電極のうちの燃料極側へ供給する燃料としては純水素が好適であるが、インフラが整っておらず、しかも貯蔵の面でも多くの課題がある。そのため、多くの燃料電池発電システムは、炭化水素等の水素含有の化合物から触媒反応によって改質ガスを生成する改質器を備え、その改質器によって生成された改質ガスを燃料極側へ供給する。このような改質器において、例えばメタン、ブタン、及び天然ガス等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、並びにガソリン等から改質ガスが生成される。
【０００８】
このような燃料電池発電システムを定置用コージェネレーションシステムとして用いた場合、高効率且つクリーンな分散型エネルギーシステムとなる。このような定置用コージェネレーションシステムの場合、既にインフラが整備されている都市ガスを改質することにより燃料ガスを生成することができるという利点がある。
【０００９】
都市ガスはメタンを主成分とし、エタン、プロパン等を含んでいる。都市ガスを改質する改質器は、改質部、一酸化炭素（ＣＯ）変成部、およびＣＯ浄化部から構成されるのが一般的である。これらのＣＯ変成部およびＣＯ浄化部により副生成物であるＣＯの生成量を低減させることができる。通常、改質部にて生成される燃料ガスには約１０％程度のＣＯが含まれるが、ＣＯ変成部で約１％、ＣＯ浄化部で５０ｐｐｍ以下にまでＣＯが低減される。
【００１０】
ＣＯはＰｔの表面に吸着する性質を有している。そのため、燃料ガスにＣＯが含まれていると、燃料極側の触媒反応層のＰｔ触媒にＣＯが吸着し、Ｐｔ表面での水素分子の酸化反応が阻害されることになる。この現象はＣＯ被毒と呼ばれている。このＣＯ被毒により、燃料電池の出力が著しく低下する。
【００１１】
ＣＯ被毒を防止するための対策としては、燃料ガス中のＣＯを選択的に電解によって酸化させることにより、効率よくしかも確実にＣＯ濃度を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。また、燃料電池の出力電圧を一時的に強制低下させることにより、燃料極側の触媒反応層に吸着したＣＯを除去する方法も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２０００−２３３９０５号公報
【特許文献２】
特開平１１−３４５６２４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池の場合、他の種類の燃料電池と比べて、１００℃以下という比較的低い温度下でも起動停止が容易であるという特徴を有している。しかしながら、電池の温度が６０℃以下の場合ではＣＯ被毒が顕著になることが知られており、このような温度ではＣＯを含有する改質ガスを燃料として発電させても電池性能は著しく低下する。
【００１４】
そのため、改質器および燃料電池スタックが充分に昇温するのを待ってから発電を開始するように燃料電池発電システムを運転させるのが通常である。具体的には、改質器を昇温させるとともに、熱回収および燃料電池スタックの温度調節のために循環させている冷却水等を用いて、６５℃から８５℃程度にまで燃料電池スタックを昇温させる。そして、その後改質ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給して発電を開始させる。このように、通常の場合、改質器および燃料電池スタックの昇温を待つことになるため、従来の燃料電池発電システムの起動には３０分以上の時間を要する。
【００１５】
前述したような従来のＣＯ被毒を防止するための燃料電池発電システムの運転方法は、改質器および燃料電池スタックが充分に昇温された後の定常運転におけるものである。したがって、そのような運転方法を採用したとしても、起動時間の短縮化を図ることはできない。
【００１６】
このように、起動時間が長くなることは燃料電池発電システムにおいて大きな課題となっている。特に、起動停止が頻繁に行われる自動車用の燃料電池発電システム、および日毎に起動停止が行われるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ａｎｄ  Ｓｈｕｔｄｏｗｎ）運転を前提とした定置用燃料電池発電システムの場合、起動時間の短縮化が必要不可欠である。
【００１７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来と比べて起動時間を大幅に短縮することができる燃料電池発電システムの運転方法、およびその方法を実施するための燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するために、本発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、水素を含む改質ガスを生成する改質器と、白金触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなる電解質膜電極接合体を有し、前記改質器から供給される改質ガスと外部から供給される酸化剤ガスとを前記電解質膜電極接合体にて反応させて発電する複数のセルが積層されてなる固体高分子型の燃料電池スタックとを備える燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池発電システムを起動させる場合、前記改質部の温度および前記燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまで、前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を実行することを特徴とする。
【００１９】
このように、燃料電池発電システムの起動時において、燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を実行することによって、燃料電池スタックを構成する各セルが有する燃料極に含まれている白金触媒のＣＯ吸着量を低減させることができる。これにより、ＣＯ被毒を回避することができる。
【００２０】
また、各セルが有する燃料極におけるＣＯの酸化反応が促進されるため、従来と比べて迅速に燃料電池スタックの温度を上昇させることができる。これにより、燃料電池発電システムの起動時間を従来よりも短縮させることが可能となる。
【００２１】
また、前記燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池スタックの電流密度を増加させている期間において前記燃料電池スタックを構成する各セルの電圧が０Ｖ以上０．３Ｖ以下であることが好ましい。
【００２２】
また、前記燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池スタックの温度の上昇に応じて、前記燃料電池スタックの電流密度を増加させている期間を短くすることが好ましい。
【００２３】
さらに、前記燃料電池発電システムの運転方法において、前記改質器から前記燃料電池スタックへ供給される改質ガスの一酸化炭素濃度の減少に応じて、前記燃料電池スタックの電流密度を増加させる処理の繰り返し周期を長くすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の燃料電池発電システムは、水素を含む改質ガスを生成する改質器と、白金触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなる電解質膜電極接合体を有し、前記改質器から供給される改質ガスと外部から供給される酸化剤ガスとを前記電解質膜電極接合体にて反応させて発電する複数のセルが積層されてなる固体高分子型の燃料電池スタックとを備える燃料電池発電システムにおいて、前記改質器の温度を測定するための第１温度測定手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定するための第２温度測定手段と、前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させるための電流制御装置と、前記燃料電池発電システムを起動させる場合、前記第１温度測定手段によって測定された前記改質器の温度および前記第２温度測定手段によって測定された前記燃料電池スタックの温度が所定の温度に達したか否かを判定し、その結果前記改質器の温度および前記燃料電池スタックの温度が前記所定の温度に達したと判定したとき、前記燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を実行するように前記電流制御装置の動作を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池発電システムは、Ｐｔ触媒を含む燃料極と空気極とで電解質膜を挟んでなるＭＥＡを有する複数のセルが積層してなる燃料電池スタック１と、その燃料電池スタック１に供給する水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器２とを備えている。
【００２７】
燃料電池スタック１には、その燃料電池スタック１内を循環する冷却水の温度を測定するための温度センサ１ａが設けられている。この温度センサ１ａは、燃料電池スタック１に導入されるときの冷却水の温度を測定すべく、燃料電池スタック１の冷却水の入口近傍に配設されている。なお、本明細書では、温度センサ１ａによって測定された冷却水の温度を燃料電池スタック１の温度とする。
【００２８】
改質器２は、外部から供給される原料中の硫黄分を取り除くための脱硫部２ａと、脱硫された原料と水蒸気とを反応させて改質ガスを生成する改質部２ｂと、改質ガスのＣＯ濃度を低減するためのＣＯ変成部２ｃおよびＣＯ浄化部２ｄと、改質部２ｂを加熱するためのバーナー２ｅとを有している。
【００２９】
また、改質器２には、前述した改質部２ｂ、ＣＯ変成部２ｃおよびＣＯ浄化部２ｄのそれぞれの温度を測定するための温度センサ２ｆが設けられている。
【００３０】
また、燃料電池スタック１は、インバータ４と接続されている。このインバータ４は、燃料電池スタック１によって得られた直流電流を交流電流に変換し、変換した交流電流を外部の負荷へ供給するためのものである。
【００３１】
さらに、燃料電池スタック１は、電流制御装置３と接続されている。この電流制御装置３は、外部の負荷とは別系統の負荷であり、後述するように燃料電池発電システムを起動させる際に燃料電池スタック１の電流密度を周期的に増大させるためのものである。
【００３２】
以上の燃料電池スタック１、改質器２、電流制御装置３、およびインバータ４の動作は何れも制御装置５によって制御される。制御装置５は、負荷変動に応じた出力を得るために、これらの装置の動作を制御する。
【００３３】
本実施の形態において、燃料電池スタック１は次のようにして作製されている。まず、燃料極側の触媒にＰｔ−Ｒｕ（ルテニウム）合金、空気極側の触媒にＰｔを用いて、電極面積２００ｃｍ２のＭＥＡが作製されている。そして、このＭＥＡを一対のセパレータ板で挟持することによりセルが作製される。ここで、セパレータ板としてはサーペンタイン状のガス流路が形成されたカーボン板を用いている。このようにして作製されたセルを７０個積層させて燃料電池スタックを得る。なお、各セル間には冷却水流路が形成されており、この冷却水流路を用いて燃料電池スタック１内に冷却水を循環させることによって燃料電池スタック１の温度が制御される。
【００３４】
以上のようにして作製された燃料電池スタック１の単体での性能を確認するために、次のような特性試験を行った。
【００３５】
水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍの組成比の改質模擬ガスを露点６５℃に加湿し水素利用率７０％で各セルの燃料極側へ供給するとともに、空気を露点７０℃に加湿し酸素利用率４０％で各セルの空気極側へ供給した。また、７０℃の冷却水を燃料電池スタック１に供給し、この冷却水が燃料電池スタック１から排出されるときには７５℃になるように流量を調整した。以上の条件にて、電流制御装置３により電流密度が２００ｍＡ／ｃｍ２となるように燃料電池スタック１に発電を行わせた結果、燃料電池スタック１の出力電圧は５２．５Ｖであった。これにより、燃料電池スタック１が安定した発電性能を有していることが確認された。
【００３６】
次に、改質器２の単体での性能を確認するために、次のような特性試験を行った。なお、改質器２の燃料としては都市ガス１３Ａを選定した。
【００３７】
改質器２が有する改質部２ｂを約７００℃に、ＣＯ変成部２ｃを約２００℃に、ＣＯ浄化部２ｄを約１５０℃に維持した。この状態で、都市ガスを供給するとともに、脱硫部２ａと改質部２ｂとの間でカーボン−スチーム比（Ｓ／Ｃ）が４．０となるように水蒸気を供給することにより改質器２に改質反応を行わせた。その結果、改質器２にて、水素７９．０％、二酸化炭素１９．８％、一酸化炭素８ｐｐｍの組成比の改質ガスが生成された。これにより、改質器２が安定した発電性能を有していることが確認された。
【００３８】
次に、以上のように構成された本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明する。本実施の形態の燃料電池発電システムの運転は、起動してから（例えば、改質器２のバーナー２ｅが点火されてから）定常状態に至るまでの期間における運転である起動時運転と、定常状態での運転である定常運転とに分けられる。ここで、定常状態とは、燃料電池発電システムの起動後に燃料電池スタック１および改質器２が所定の温度に達した後の状態をいう。また、所定の温度とは、例えば燃料が都市ガスの場合、燃料電池スタック１においては約５０℃乃至８５℃、改質器２の改質部２ｂにおいては約６００℃乃至７５０℃、ＣＯ変成部２ｃにおいては約２００℃乃至３５０℃、ＣＯ浄化部２ｄにおいては約１００℃乃至１５０℃の範囲内の温度であり、燃料電池発電システムの用途、運転方法等に依存して定められるものである。
【００３９】
本実施の形態では、前述した特性試験における燃料電池スタック１の温度と改質器２の温度を所定の温度とする。すなわち、本実施の形態では、燃料電池スタック１が７０℃に達し、且つ改質器２の改質部２ｂが約７００℃に、ＣＯ変成部２ｃが約２００℃に、ＣＯ浄化部２ｄが約１５０℃にそれぞれ達した後の状態を定常状態と呼ぶことにする。
【００４０】
なお、定常運転における本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は通常の燃料電池発電システムの場合と同様であるので説明を省略する。
【００４１】
以下、起動時運転における本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００４２】
まず、改質器２に対して原料（都市ガス）および水を供給するとともに、改質器２のバーナー２ｅを点火させる。これにより、改質器２の改質部２ｂにて改質反応が起こり、その結果改質ガスが生成される。このようにして生成された改質ガスは、改質器２のＣＯ変成部２ｃおよびＣＯ浄化部２ｄによってＣＯ濃度が低減された後に燃料電池スタック１へ供給される。
【００４３】
制御装置５は、燃料電池スタック１が備える温度センサ１ａおよび改質器２が備える温度センサ２ｆのそれぞれから、燃料電池スタック１の温度を示す信号並びに改質部２ｂ、ＣＯ変成部２ｃおよびＣＯ浄化部２ｄの温度を示す信号を一定の時間間隔で受け取る。
【００４４】
そして、制御装置５は、温度センサ１ａおよび２ｆから受け取った信号に基づいて、本実施の形態の燃料電池発電システムが定常状態に達したか否かを定期的に判定する。ここで、燃料電池発電システムが起動を開始してから定常状態に達したと判定されるまでの間、制御装置５は、燃料電池スタック１の電流密度を周期的に増加させるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００４５】
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの起動時運転におけるスタック電圧および電流密度の時間変化を示す図である。ここで、スタック電圧とは、燃料電池スタック１全体の電圧を意味している。
【００４６】
図２において、ｔは電流密度増加時間を、Ｔは電流密度増加周期をそれぞれ示している。図２に示す図は、電流密度増加時間ｔを０．１秒、電流密度増加周期Ｔを１．５秒として起動時運転を行った場合に得られたものである。
【００４７】
図２に示すように、運転を開始してから電流密度の増加処理が行われるまでの間、スタック電圧は約６０Ｖ程度から緩やかに低下する。これはＣＯ被毒が起きるために燃料電池スタック１の出力が低下するためである。
【００４８】
しかしながら、電流制御装置３により、燃料電池スタック１の電流密度が８００ｍＡ／ｃｍ２程度まで一時的に増加された後、燃料電池スタック１のスタック電圧は約６０Ｖ程度に回復する。これは、燃料電池スタック１の電流密度が増加されている間、燃料電池スタック１を構成する各セルが有する燃料極の電位がＣＯの酸化電位以上になるので、燃料極の触媒反応層のＰｔ表面に吸着されているＣＯが酸化し、ＣＯ被毒が回避されるからである。
【００４９】
なお、燃料電池スタック１にかける負荷電圧を一時的に上げることによっても同様の効果が得られると考えられる。しかしながら、この場合、燃料電池スタック１全体の負荷電圧が変化するものの、各セルの電圧は必ずしも均一になるわけではないため、燃料極の電位がＣＯの酸化電位以上にならないセルが発生することがある。その結果、燃料電池スタック１の一部のセルにおけるＣＯ被毒を回避することができないという問題が生じ得る。
【００５０】
これに対して、本実施の形態のように、燃料電池スタック１の電流密度を増大させる処理を実行した場合、電流密度の変化が燃料電池スタック１を構成する全てのセルに対して均一に伝わるため、全てのセルにおけるＣＯ被毒を回避することが可能になる。
【００５１】
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化および電流密度の増加を行わない運転方法（以下、比較例という）を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【００５２】
図３において、Ａ１は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を、Ａ２は同じく比較例の運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化をそれぞれ示している。また、図３において、Ｔ１１は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合の起動時運転の期間を、Ｔ１２は同じく定常運転の期間をそれぞれ示している。一方、図３において、Ｔ２１は比較例の運転方法を実施した場合の起動時運転の期間を、Ｔ２２は同じく定常運転の期間をそれぞれ示している。
【００５３】
なお、本実施の形態の運転方法では起動時運転において一時的に電流密度を増加させているが、図３に示す時間変化Ａ１は、そのように電流密度を増加させていない状態でのスタック電圧を経時的にプロットして得られたものである。
【００５４】
比較例の運転方法を実施した場合、定常運転に移行するまで激しい電圧振動が生じた。図３に示す時間変化Ａ２は、このときの電圧振動幅の中心値を経時的にプロットして得られたものである。
【００５５】
図３に示すように、比較例の運転方法の場合、起動時運転期間Ｔ２１においてはスタック電圧が２５Ｖ程度と比較的低い状態が続き、その後約２８分経過後に急激に上昇する。そして、定常運転期間Ｔ２２が開始してから１０分程度経過した後にスタック電圧が約６０Ｖ程度となり、その後スタック電圧は約６０Ｖ程度で安定する。
【００５６】
これに対して、本実施の形態の運転方法の場合、起動時運転期間Ｔ１１が開始してから約５分後にスタック電圧が約６０Ｖ程度まで上昇し、その後は起動時運転期間Ｔ１１および定常運転期間Ｔ１２にわたってスタック電圧はその値を保持している。
【００５７】
図３を参照すると明らかなように、本実施の形態の運転方法の場合、比較例の運転方法と比べて起動時運転期間が短い。具体的には、比較例の運転方法を実施した場合の起動時運転期間Ｔ２１が３４分であったのに対し、本実施の形態の運転方法を実施した場合の起動時運転期間Ｔ１１は２２分であった。これは、本実施の形態の運転方法により各セルが有する燃料極におけるＣＯの酸化反応が促進されたことに起因する。つまり、発熱反応であるＣＯの酸化反応が促進されたことにより、燃料電池スタック１の昇温が加速され、その結果比較例の運転方法の場合と比べて速く燃料電池スタック１の温度が上昇したために起動時運転期間が短くなったのである。
【００５８】
次に、本実施の形態の運転方法における起動時運転において、燃料電池スタック１の電流密度をどの程度増加させればよいのかについて検討する。
【００５９】
起動時運転において電流密度を増加させたときの燃料電池スタック１を構成する各セルの電圧が０Ｖ以上０．２５Ｖ以下，０Ｖ以上０．３Ｖ以下，０Ｖ以上０．３５Ｖ以下，０Ｖ以上０．４Ｖ以下となるように、制御装置５が電流制御装置３の動作を制御した場合の実験結果を図４に示す。
【００６０】
図４において、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４はそれぞれ、前記各セルの電圧が０Ｖ以上０．２５Ｖ以下，０Ｖ以上０．３Ｖ以下，０Ｖ以上０．３５Ｖ以下，０Ｖ以上０．４Ｖ以下となる場合のスタック電圧の時間変化を示している。
【００６１】
図４中の時間変化Ｂ３，Ｂ４を参照すると分かるように、各セルの電圧が０Ｖ以上０．３５Ｖ以下の場合および０Ｖ以上０．４Ｖ以下の場合では、起動時運転が開始してから２５分程度まではスタック電圧が比較的低い状態が継続し、その後に約６０Ｖ程度に上昇している。
【００６２】
これに対して、図４中の時間変化Ｂ１，Ｂ２を参照すると分かるように、各セルの電圧が０Ｖ以上０．２５Ｖ以下の場合および０Ｖ以上０．３Ｖ以下の場合では、起動時運転が開始してからまもなくスタック電圧が約６０℃程度に上昇し、その後もその値を保持している。
【００６３】
この実験結果から明らかなように、燃料電池スタック１の電流密度を増加させたときに各セルの燃料極の電位をＣＯの酸化電位以上とすることにより確実にＣＯの酸化除去を実現させるためには、各セルの電圧が０Ｖ以上０．３Ｖ以下となるように電流制御装置３の動作を制御することが好ましい。
【００６４】
（実施の形態２）
実施の形態１の場合、起動時運転における電流密度増加時間は一定である。これに対して、実施の形態２に係る燃料電池発電システムは、起動時運転において、スタック温度の上昇に伴って電流密度増加時間を短くするように運転されるものである。
【００６５】
なお、本実施の形態の燃料電池発電システムの構成は実施の形態１の場合と同様であるので説明を省略する。以下、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について、図１を参照しながら説明する。
【００６６】
実施の形態１の場合と同様に、制御装置５は、燃料電池スタック１が備える温度センサ１ａおよび改質器２が備える温度センサ２ｆから受け取った信号に基づいて、本実施の形態の燃料電池発電システムが定常状態に達したか否かを定期的に判定する。ここで、燃料電池発電システムが起動を開始してから定常状態に達したと判定されるまでの間、制御装置５は、燃料電池スタック１の電流密度を周期的に増加させるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００６７】
この起動時運転において、制御装置５は、燃料電池スタック１の温度が高くなるにしたがって電流密度増加時間が短くなるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００６８】
図５は、起動時運転における本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムの燃料電池スタック１の電流密度の時間変化を示すグラフである。図５に示すように、起動時運転が開始してから燃料電池スタック１の温度が所定の温度に達するまでの期間Ｔ３１において、電流密度増加周期Ｔごとに電流密度増加時間ｔ１だけ電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。また、期間Ｔ３１の終了後、燃料電池スタック１の温度が所定の温度に達するまでの期間Ｔ３２において、同様にして電流密度増加時間ｔ２だけ電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。さらに、期間Ｔ３２の終了後、燃料電池スタック１の温度が所定の温度に達するまでの期間Ｔ３３において、同様にして電流密度増加時間ｔ３だけ電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。ここで、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３が成り立つ。
【００６９】
なお、図５に示すグラフは電流密度増加時間を３段階に設定した場合の例を示すものであるがこれに限られるわけではない。したがって、電流密度増加時間を２段階に設定してもよく、４段階以上に設定してもよい。
【００７０】
ここでは、具体例として、燃料電池スタック１の温度が５０℃に達するまでの期間においては電流密度増加時間を０．１秒とし、同じく温度が５０℃以上であって６０℃に達するまでの期間においては電流密度増加時間を０．０５秒とし、同じく温度が６０℃以上であって７０℃（定常状態の温度）に達するまでの期間においては電流密度増加時間を０．０２秒とする。また、電流密度増加周期は１．５秒で一定とする。
【００７１】
図６は、本発明の実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【００７２】
図６において、Ｃ１は実施の形態１の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を、Ｃ２は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化をそれぞれ示している。また、図６において、Ｔ３１は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法において電流密度増加時間ｔ１が０．１秒である起動時運転の期間を、Ｔ３２は同じく電流密度増加時間ｔ２が０．０５秒である起動時運転の期間を、Ｔ３３は同じく電流密度増加時間ｔ３が０．０２秒である起動時運転の期間をそれぞれ示している。
【００７３】
なお、実施の形態１および実施の形態２の運転方法では起動時運転において一時的に電流密度を増加させているが、図６に示す時間変化Ｃ１およびＣ２は、そのように電流密度を増加させていない状態でのスタック電圧を経時的にプロットして得られたものである。
【００７４】
図６に示すように、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様にスタック電圧の値が変化している。これにより、本実施の形態でも、実施の形態１の場合と同様に燃料電池発電システムの起動時間を短縮することができることが分かる。
【００７５】
本実施の形態のように、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じて電流密度増加時間を短くした場合であっても、実施の形態１の場合と同様にＣＯ被毒を回避することができる。これは、次の理由による。燃料電池スタックの温度が高くなるほど各セルが有する燃料極の触媒反応層のＰｔ表面に吸着するＣＯの量が少なくなり、燃料極側の分極が小さくなる。そのため、燃料電池スタックの昇温が進行するにしたがって、ＣＯを酸化除去するために必要となる電流密度増加時間は短くなる。よって、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じて電流密度増加時間を短くしたとしても、ＣＯ被毒を回避することができるのである。
【００７６】
なお、前述した電流密度増加時間ｔ１，ｔ２，ｔ３の値および期間Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ３３の値は例示であり、これらの値に限定されるわけではないが、燃料電池スタック１の温度に依存して定められるものである。
【００７７】
また、本実施の形態では、電流密度増加時間をステップ状に変化させているが、燃料電池スタックの温度の上昇にしたがって連続的に変化させるようにしてもよい。
【００７８】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池発電システムは、改質器から燃料電池スタックへ供給される改質ガスのＣＯ濃度を測定するためのＣＯ濃度測定手段を備え、そのＣＯ濃度測定手段の測定結果に応じて起動時運転における電流密度増加周期が変化するように制御されるものである。
【００７９】
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。図７に示すとおり、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタック１と改質器２との間には、改質器２から燃料電池スタック１へ供給される改質ガスのＣＯ濃度を測定するためのＣＯ濃度センサ１０が設けられている。
【００８０】
なお、本実施の形態の燃料電池発電システムのその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００８１】
以下、本実施の形態の燃料電池発電システムの起動時運転における動作について説明する。
【００８２】
実施の形態１の場合と同様に、制御装置５は、燃料電池スタック１が備える温度センサ１ａおよび改質器２が備える温度センサ２ｆから受け取った信号に基づいて、本実施の形態の燃料電池発電システムが定常状態に達したか否かを定期的に判定する。ここで、燃料電池発電システムが起動を開始してから定常状態に達したと判定されるまでの間、制御装置５は、燃料電池スタック１の電流密度を周期的に増加させるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００８３】
この起動時運転において、制御装置５は、ＣＯ濃度センサ１０から、改質器２から燃料電池スタック１へ供給される改質ガスのＣＯ濃度を示す信号を一定の時間間隔で受け取る。そして、制御装置５は、ＣＯ濃度センサ１０から受け取った信号に基づいて改質ガスのＣＯ濃度を判定し、そのＣＯ濃度が減少するにしたがって電流密度増加周期が長くなるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００８４】
図８は、起動時運転における本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの燃料電池スタック１の電流密度の時間変化を示すグラフである。図８に示すように、起動時運転が開始してから燃料電池スタック１に供給される改質ガスのＣＯ濃度が所定の値を下回るまでの期間Ｔ４１において、電流密度増加周期Ｔ１ごとに電流密度増加時間ｔだけ電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。また、期間Ｔ４１の終了後、同じく改質ガスのＣＯ濃度が所定の値を下回るまでの期間Ｔ４２において、電流密度増加周期Ｔ２ごとに同様にして電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。さらに、期間Ｔ４２の終了後、定常状態に至るまでの期間Ｔ４３において、電流密度増加周期Ｔ３ごとに同様にして電流密度を増加させるように電流制御装置３の動作が制御される。ここで、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３が成り立つ。
【００８５】
なお、図８に示すグラフは電流密度増加周期を３段階に設定した場合の例を示すものであるがこれに限られるわけではない。したがって、電流密度増加周期を２段階に設定してもよく、４段階以上に設定してもよい。
【００８６】
ここでは、具体例として、燃料電池スタック１に供給される改質ガスのＣＯ濃度が５００ｐｐｍ以上の期間においては電流密度増加周期を１．５秒とし、同じくＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以上であって５００ｐｐｍより低い期間においては電流密度増加周期を３．０秒とし、同じくＣＯ濃度が１００ｐｐｍより低い期間においては電流密度増加周期を５．０秒とする。また、電流密度増加時間は０．０５秒で一定とする。
【００８７】
したがって、本実施の形態において、制御装置５は、起動時運転が開始してから燃料電池スタック１に供給される改質ガスのＣＯ濃度が５００ｐｐｍを下回るまでの期間において電流密度増加周期が１．５秒となり、その後改質ガスのＣＯ濃度が１００ｐｐｍを下回るまでの期間において電流密度増加周期が３．０秒となり、その後定常状態に至るまでの期間において電流密度増加周期が５．０秒となるように電流制御装置３の動作を制御する。
【００８８】
図９は、本発明の実施の形態１および実施の形態３に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【００８９】
図９において、Ｄ１は実施の形態１の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を、Ｄ２は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化をそれぞれ示している。また、図９において、Ｔ４１は本実施の形態の燃料電池発電システムの運転方法において電流密度増加周期Ｔ１が１．５秒である起動時運転の期間を、Ｔ４２は同じく電流密度増加周期Ｔ２が３．０秒である起動時運転の期間を、Ｔ４３は同じく電流密度増加周期Ｔ３が５．０である起動時運転の期間をそれぞれ示している。
【００９０】
なお、実施の形態１および実施の形態３の運転方法では起動時運転において一時的に電流密度を増加させているが、図９に示す時間変化Ｄ１およびＤ２は、そのように電流密度を増加させていない状態でのスタック電圧を経時的にプロットして得られたものである。
【００９１】
図９に示すように、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様にスタック電圧の値が変化している。これにより、本実施の形態でも、実施の形態１の場合と同様に燃料電池発電システムの起動時間を短縮することができることが分かる。
【００９２】
本実施の形態のように、燃料電池スタック１に供給される改質ガスのＣＯ濃度の減少に応じて電流密度増加周期を長くした場合であっても、実施の形態１の場合と同様にＣＯ被毒を回避することができる。これは、次の理由による。燃料電池スタックの各セルが有する燃料極の触媒反応層のＰｔ表面に吸着したＣＯを酸化除去してから再び燃料極のＣＯ被毒により電池電圧が低下するまでの期間は、当該燃料極に供給される改質ガスのＣＯ濃度が低いほど長くなる。そのため、改質器２の昇温が進行するのに伴い改質ガスのＣＯ濃度が減少するにしたがって、燃料電池スタック１の電流密度を一時的に増加させる頻度を減らしてもＣＯ被毒を回避することができることになる。
【００９３】
なお、前述した電流密度増加期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の値および期間Ｔ４１，Ｔ４２，Ｔ４３の値は例示であり、これらの値に限定されるわけではないが、改質ガス中のＣＯ濃度に依存して定められるものである。
【００９４】
また、本実施の形態では、電流密度増加周期をステップ状に変化させているが、燃料電池スタックに供給される改質ガスのＣＯ濃度の減少にしたがって連続的に変化させるようにしてもよい。
【００９５】
また、実施の形態２および実施の形態３とを組み合わせてもよい。すなわち、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じて電流密度増加時間を短くするとともに、燃料電池スタック１に供給される改質ガスのＣＯ濃度の減少に応じて電流密度増加周期を長くするようにしてもよい。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の場合、起動時運転において燃料電池スタックの電流密度を一時的に増加させる処理を行うことによって、燃料電池発電システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの起動時運転におけるスタック電圧および電流密度の時間変化を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化および電流密度の増加を行わない運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【図５】起動時運転における本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムの燃料電池スタックの電流密度の時間変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図８】起動時運転における本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの燃料電池スタックの電流密度の時間変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１および実施の形態３に係る燃料電池発電システムの運転方法を実施した場合におけるスタック電圧の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１    燃料電池スタック
１ａ  温度センサ
２    改質器
２ａ  脱硫部
２ｂ  改質部
２ｃ  ＣＯ変成部
２ｄ  ＣＯ浄化部
２ｅ  バーナー
２ｆ  温度センサ
３    電流制御装置
４    インバータ
５    制御装置
１０  ＣＯ濃度センサ
【図１】
2005019361.tif 000003
【図２】
2005019361.tif 000004
【図３】
2005019361.tif 000005
【図４】
2005019361.tif 000006
【図５】
2005019361.tif 000007
【図６】
2005019361.tif 000008
【図７】
2005019361.tif 000009
【図８】
2005019361.tif 000010
【図９】
2005019361.tif 000011